Wyjaśnienie: Czym jest kryptografia post-kwantowa?

Pani Tech

To trzecie z serii wyjaśnień dotyczących technologii kwantowej. Dwa pozostałe dotyczą obliczeń kwantowych i komunikacji kwantowej.

Niewielu z nas poświęca wiele uwagi małemu symbolowi kłódki, który pojawia się w naszych przeglądarkach internetowych za każdym razem, gdy korzystamy ze strony e-commerce, wysyłamy i odbieramy wiadomości e-mail lub sprawdzamy nasze konta bankowe lub karty kredytowe. Ale jest to sygnał, że usługi online korzystają z HTTPS, protokołu internetowego, który szyfruje dane, które wysyłamy przez Internet i otrzymywane odpowiedzi. Ta i inne formy szyfrowania chronią wszelkiego rodzaju komunikację elektroniczną, a także hasła, podpisy cyfrowe i dokumentację medyczną.

Komputery kwantowe mogą podważyć te zabezpieczenia kryptograficzne. Maszyny nie są dziś wystarczająco mocne, aby to zrobić, ale szybko ewoluują. Możliwe, że za nieco ponad dekadę – a być może nawet wcześniej – te maszyny mogą stanowić zagrożenie dla szeroko stosowanych metod kryptograficznych. Dlatego naukowcy i firmy zajmujące się bezpieczeństwem ścigają się, aby opracować nowe podejścia do kryptografii, które będą w stanie wytrzymać przyszłe ataki kwantowe przeprowadzane przez hakerów.

Jak działa szyfrowanie cyfrowe?

Istnieją dwa główne typy szyfrowania. Szyfrowanie symetryczne wymaga od nadawcy i odbiorcy posiadania identycznych kluczy cyfrowych do szyfrowania i odszyfrowywania danych, podczas gdy szyfrowanie asymetryczne — czyli kluczem publicznym — wykorzystuje publicznie dostępny klucz, aby umożliwić ludziom szyfrowanie wiadomości dla odbiorcy, który jest jedynym posiadaczem klucza prywatnego potrzebne do ich rozszyfrowania.

Czasami te dwa podejścia są używane razem. Na przykład w przypadku HTTPS przeglądarki internetowe wykorzystują kryptografię klucza publicznego do sprawdzania poprawności stron internetowych, a następnie ustanawiają klucz symetryczny do szyfrowania komunikacji.

Celem jest powstrzymanie hakerów przed używaniem ogromnych ilości mocy obliczeniowej w celu odgadnięcia używanych kluczy. W tym celu popularne metody kryptograficzne, w tym jedna znana jako RSA i inna zwana kryptografią krzywych eliptycznych, zazwyczaj wykorzystują tak zwane funkcje zapadni — konstrukcje matematyczne, które są stosunkowo łatwe do obliczenia w jednym kierunku w celu utworzenia kluczy, ale są bardzo trudne dla przeciwnika do inżynierii wstecznej.

Hakerzy mogą próbować złamać kod, próbując wszystkich możliwych odmian klucza, aż jeden zadziała. Ale obrońcy naprawdę utrudniają im życie, używając bardzo długich par kluczy — takich jak implementacja RSA 2048-bitowa, która renderuje klucz o długości 617 cyfr dziesiętnych. Przeprowadzenie wszystkich możliwych permutacji w celu uzyskania kluczy prywatnych może zająć wiele tysięcy – jeśli nie miliony – lat na konwencjonalnych komputerach.

Dlaczego komputery kwantowe stanowią zagrożenie dla szyfrowania?

Ponieważ mogą pomóc hakerom znacznie szybciej wrócić przez algorytmiczne zapadnie. W przeciwieństwie do klasycznych komputerów, które używają bitów, które mogą być albo jeden s lub 0 s, maszyny kwantowe używają kubitów, które mogą reprezentować wiele możliwych stanów jeden oraz 0 jednocześnie — zjawisko zwane superpozycją. Mogą również oddziaływać na siebie na odległość, dzięki zjawisku zwanemu splątaniem.

Dzięki tym zjawiskom dodanie tylko kilku dodatkowych kubitów może prowadzić do wykładniczych skoków mocy obliczeniowej. Maszyna kwantowa z 300 kubitami może reprezentować więcej wartości niż atomów w obserwowalnym wszechświecie. Zakładając, że komputery kwantowe mogą przezwyciężyć pewne nieodłączne ograniczenia ich wydajności, mogą one ostatecznie zostać użyte do przetestowania wszystkich możliwych permutacji klucza kryptograficznego w stosunkowo krótkim czasie.

Hakerzy mogą również wykorzystywać algorytmy kwantowe, które optymalizują niektóre zadania. Jeden z takich algorytmów, opublikowany przez Lova Grovera z AT&T Bell Labs w 1996 roku, pomaga komputerom kwantowym znacznie szybciej wyszukiwać możliwe permutacje. Inny, opublikowany w 1994 roku przez Petera Shora, który wówczas pracował w Bell Labs, a obecnie jest profesorem MIT, pomaga maszynom kwantowym w niewiarygodnie szybkim odnajdywaniu czynników pierwszych liczb całkowitych.

Algorytm Shora stanowi zagrożenie dla systemów szyfrowania z kluczem publicznym, takich jak RSA, których matematyczna obrona polega częściowo na tym, jak trudno jest odtworzyć wynik mnożenia przez siebie bardzo dużych liczb pierwszych. Raport na temat obliczeń kwantowych opublikowany w zeszłym roku przez amerykańską Narodową Akademię Nauk, Inżynierii i Medycyny przewidywał, że potężny komputer kwantowy z algorytmem Shora byłby w stanie złamać 1024-bitową implementację RSA w mniej niż jeden dzień.

Czy komputery kwantowe wkrótce przełamią zabezpieczenia kryptograficzne?

To bardzo mało prawdopodobne. Badanie National Academies mówi, że aby stanowić realne zagrożenie, maszyny kwantowe będą potrzebowały znacznie większej mocy obliczeniowej niż dzisiejsze najlepsze maszyny kwantowe.

Mimo to to, co niektórzy badacze bezpieczeństwa lubią nazywać rokiem 2Q – rokiem, w którym łamanie kodów kwantowych staje się poważnym problemem – może wzrosnąć zaskakująco szybko. W 2015 roku naukowcy doszli do wniosku, że komputer kwantowy potrzebowałby miliarda kubitów, aby móc całkiem wygodnie złamać 2048-bitowy system RSA; nowsze prace sugerują, że komputer z 20 milionami kubitów mógłby wykonać tę pracę w ciągu zaledwie ośmiu godzin.

To wciąż znacznie przekracza możliwości dzisiejszej najpotężniejszej maszyny kwantowej ze 128 kubitami (zobacz nasz licznik kubitów tutaj ). Ale postępy w obliczeniach kwantowych są nieprzewidywalne. Bez bezpiecznej kwantowej ochrony kryptograficznej wszelkiego rodzaju rzeczy, od pojazdów autonomicznych po sprzęt wojskowy — nie wspominając o transakcjach finansowych i komunikacji online — mogą być celem hakerów mających dostęp do komputerów kwantowych.

Każda firma lub rząd planujący przechowywanie danych przez dziesięciolecia powinien teraz pomyśleć o zagrożeniach, jakie stwarza technologia, ponieważ szyfrowanie, którego używają do ich ochrony, może później zostać naruszone. Cofnięcie się i ponowne zakodowanie gór danych historycznych z bardziej solidnymi zabezpieczeniami może zająć wiele lat, więc lepiej byłoby zastosować je teraz. Stąd duży nacisk na rozwój kryptografii post-kwantowej.

Czym jest kryptografia post-kwantowa?

Jest to rozwój nowych rodzajów podejść kryptograficznych, które można wdrożyć przy użyciu dzisiejszych klasycznych komputerów, ale będą odporne na ataki jutrzejszych komputerów kwantowych.

Jedną z linii obrony jest zwiększenie rozmiaru kluczy cyfrowych, tak aby liczba permutacji, które należy przeszukiwać przy użyciu brutalnej mocy obliczeniowej, znacznie wzrosła. Na przykład, samo podwojenie rozmiaru klucza ze 128 bitów do 256 bitów skutecznie podwaja liczbę możliwych permutacji, które maszyna kwantowa korzystająca z algorytmu Grovera musiałaby przeszukać.

Inne podejście polega na wymyśleniu bardziej złożonych funkcji zapadni, z którymi nawet bardzo potężna maszyna kwantowa obsługująca algorytm taki jak Shora miałaby trudności z złamaniem. Naukowcy pracują nad szeroką gamą podejść, w tym egzotycznie brzmiącymi, takimi jak kryptografia oparta na siatce czy wymiana kluczy izogenicznych w liczbie ponadosobowej.

Celem jest skupienie się na jednej lub kilku metodach, które mogą być szeroko stosowane. Amerykański Narodowy Instytut Standardów i Technologii uruchomił w 2016 r. proces opracowywania standardów szyfrowania post-kwantowego do użytku rządowego. to już jest zawęziło początkowy zestaw 69 propozycji do 26 , ale mówi, że projekt standardów zacznie się pojawiać prawdopodobnie około 2022 roku.

Presja jest duża, ponieważ technologie szyfrowania są głęboko osadzone w wielu różnych systemach, więc ich rozwikłanie i wdrożenie nowych może zająć dużo czasu. Zeszłoroczne badanie National Academies wykazało, że całkowite wycofanie jednego szeroko stosowanego podejścia kryptograficznego, które okazało się wadliwe, zajęło ponad dekadę. Biorąc pod uwagę szybkość, z jaką rozwija się informatyka kwantowa, świat może nie mieć wystarczająco dużo czasu, aby poradzić sobie z tym nowym zagrożeniem dla bezpieczeństwa.

ukryć